본 논문에서는 펑크 타이어 힘 시험 연구 결과들을 다양하게 수집하고 분석하여, 펑크(blow-out) 타이어 차량 동적 거동 해석을 위한 구름저항력(rolling resistance), 셀프 얼라이닝 토크(self aligning torque), 코너링 강성(cornering stiffness), 반경방향 강성(radial stiffness)과 같은 관련 계수들의 적정값을 추정하였다. 이러한 타이어 펑크 관련한 입력계수들을 자동차 사고 해석 상용 프로그램에서 설정하여 타이어 펑크 효과를 구현한 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 그리고, 정상 차량들 간의 다양한 충돌 형태들과 속도 등을 참조하여, 펑크 차량의 충돌 유형들을 구성하고 시뮬레이션 해석을 수행하여 충돌 특성을 구하였다. 본 연구에서 제시하는 타이어 펑크 혹은 손상에 대한 고려는 보다 신뢰성 있는 자동차 사고 재구성에 기여할 수 있을 것이다.
본 논문에서는 펑크 타이어 힘 시험 연구 결과들을 다양하게 수집하고 분석하여, 펑크(blow-out) 타이어 차량 동적 거동 해석을 위한 구름저항력(rolling resistance), 셀프 얼라이닝 토크(self aligning torque), 코너링 강성(cornering stiffness), 반경방향 강성(radial stiffness)과 같은 관련 계수들의 적정값을 추정하였다. 이러한 타이어 펑크 관련한 입력계수들을 자동차 사고 해석 상용 프로그램에서 설정하여 타이어 펑크 효과를 구현한 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 그리고, 정상 차량들 간의 다양한 충돌 형태들과 속도 등을 참조하여, 펑크 차량의 충돌 유형들을 구성하고 시뮬레이션 해석을 수행하여 충돌 특성을 구하였다. 본 연구에서 제시하는 타이어 펑크 혹은 손상에 대한 고려는 보다 신뢰성 있는 자동차 사고 재구성에 기여할 수 있을 것이다.
In this paper, various tire blow-out force experiment data were collected and analyzed to obtain approximate values of related coefficients such as rolling resistance, self-aligning torque, cornering stiffness, and radial stiffness for the analysis of the motion of vehicles with tire blow-outs. Thes...
In this paper, various tire blow-out force experiment data were collected and analyzed to obtain approximate values of related coefficients such as rolling resistance, self-aligning torque, cornering stiffness, and radial stiffness for the analysis of the motion of vehicles with tire blow-outs. These coefficients related to tire blow-outs were input into a vehicle accident analysis program to simulate and examine the effects of tire blow-outs. Various configurations and velocities of vehicle collisions without tire blow-outs were also used as reference to establish collision events of vehicle collisions with tire blow-outs. For the events, the simulation analysis was performed and collision characteristics were obtained. Consideration of tire blow-outs or damages suggested in this study will greatly contribute to more reliable vehicle accident reconstructions.
In this paper, various tire blow-out force experiment data were collected and analyzed to obtain approximate values of related coefficients such as rolling resistance, self-aligning torque, cornering stiffness, and radial stiffness for the analysis of the motion of vehicles with tire blow-outs. These coefficients related to tire blow-outs were input into a vehicle accident analysis program to simulate and examine the effects of tire blow-outs. Various configurations and velocities of vehicle collisions without tire blow-outs were also used as reference to establish collision events of vehicle collisions with tire blow-outs. For the events, the simulation analysis was performed and collision characteristics were obtained. Consideration of tire blow-outs or damages suggested in this study will greatly contribute to more reliable vehicle accident reconstructions.
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제안 방법
JARI에서 시행한 실차 충돌 테스트(45건) (Ishikawa, 1994)를 바탕으로 정상 차량들 간의 다양한 충돌 형태들과 속도 등을 참조하였고, 펑크 차량에서의 충돌 형태 들을 동등하게 구성하고 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 차량 모델은 국내 차량을 특정화 하여 설정하였고, Table3에 요약한 것처럼 소형차량, 중형차량, 대형차량으로 구분하였다.
본 논문에서는 우선 펑크 타이어의 힘 연구 결과들을 광범위하게 수집하고 분석하여 구름저항력, 셀프 얼라이닝 토크, 코너링 강성, 반경방향 강성과 같은 관련 계수들의 적정값을 추정하였다. 그리고, 이에 근거하여 타이어 펑크와 관련된 입력계수들을 설정하고 자동차 사고 분석 프로그램(PC-Crash)을 활용하여 신뢰성 있는 시뮬레이션 해석을 수행하는 방안을 제시한다.
타이어 펑크와 함께 약 50%까지 감소하는 반경방향 강성은 타이어의 반경을 변경하여야 하는 데, PC-Crash에서 축 단위가 아닌 단일 타이어의 제원 변경은 가능하 지가 않다. 따라서, 타이어의 크기를 변화시킬 수 있는 설정에서 타이어를 적정량(타이어 높이 즉 노면으로부터 휠까지의 길이) 들어 올리도록 설정하였다.
본 논문에서는 우선 펑크 타이어의 힘 연구 결과들을 광범위하게 수집하고 분석하여 구름저항력, 셀프 얼라이닝 토크, 코너링 강성, 반경방향 강성과 같은 관련 계수들의 적정값을 추정하였다. 그리고, 이에 근거하여 타이어 펑크와 관련된 입력계수들을 설정하고 자동차 사고 분석 프로그램(PC-Crash)을 활용하여 신뢰성 있는 시뮬레이션 해석을 수행하는 방안을 제시한다.
본 논문에서는 펑크 타이어 힘과 관련한 시험 연구 결과들을 다양하게 수집하고 분석하여, 펑크 타이어 차량 동적 거동 해석을 위한 구름저항력, 셀프 얼라이닝 토크, 코너링 강성, 반경방향 강성과 같은 관련 계수들의 적정 값을 추정하였다. 이러한 타이어 펑크 관련한 입력계수 들을 자동차 사고 해석 프로그램(PC-Crash)에서 적절 하게 설정하여 타이어 펑크 효과를 구현한 시뮬레이션 해석을 수행하였다.
타이어 펑크가 발생하게 되면, 전술한 것처럼 코너링 (캠버)/반경 강성계수(힘), 구름저항력 그리고 셀프 얼라이닝 토크가 비교적 큰 폭으로 변화하면서 차량의 동적 거동에 영향을 준다. 본 연구에서는 자동차 사고해석 프로그램들을 활용하여 시뮬레이션 해석을 수행하였으며, 구름저항력과 코너링/반경 강성계수와 관련한 입력 계수들을 설정하여 타이어 펑크 효과를 구현하였다. 시뮬레이션 해석 결과는 타이어 펑크 관련 실제 사고 사례 들을 통하여 유용성과 신뢰성을 확보하였다.
제동인자의 경우 차량 속도에 의해 구름저항력이 결정되고 이에 상응한 감가속도값을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 차량의 속도별로 90km/h(0.21m/s 2 ), 60km/h(0.19m/s 2 ), 30km/h(0.18m/s 2 )에 상응하는 제동인자를 각각 설정하였다.
펑크 타이어의 경우 코너링 강성계수는 40-50% 감소하고, 임계 미끄럼각이 일정한 값을 갖는다면 횡력의 최대치 또한 코너링 강성계수와 같은 비율로 변화하게 된다. 본 연구에서는 타이어 모델에서 펑크 효과를 고려하여 비선형 모델을 설정하고, 코너링 강성계수와 횡력 최고치에 상응하는 감소 설정을 하였다.
실제 타이어 펑크 사고 장면이 촬영된 블랙박스 등 동영상 자료들을 수집하여, 전술한 입력 계수들의 값들을 입력한 시뮬레이션 수행 결과와 비교 분석하였다. 사고 동영상에서는 도로 시설물 특히 차선 활용과 프레임별 분석을 통하여 차량 속도 등의 정보를 직접 추출하였다 (Korea academy of traffic accident investigation, 2012).
PC-Crash와 HVE 두 상용프로그램의 시뮬레이션으로 각각 구한 펑크 차량의 운동 경로와 실제 펑크 사고 분석 결과(Grogan, 1972)를 함께 나타낸 것이 Figure 6에 보여진다. 시뮬레이션은 차량 속도를 변화하면서 수행하였으며, 적색(흐린색)이 HVE 그리고 흑색(진한색) 이 PC-Crash의 수행 결과를 표시한 것이다. Figure 6 에서는 차량 전후좌우 바퀴가 펑크난 상황에 대한 결과를 나타내었으며, 그래프의 측면에 있는 그림은 실제 펑크 사고 분석 결과(61건)에서 차량의 운동 경로를 보여 주고 있다.
실제 타이어 펑크 사고 장면이 촬영된 블랙박스 등 동영상 자료들을 수집하여, 전술한 입력 계수들의 값들을 입력한 시뮬레이션 수행 결과와 비교 분석하였다. 사고 동영상에서는 도로 시설물 특히 차선 활용과 프레임별 분석을 통하여 차량 속도 등의 정보를 직접 추출하였다 (Korea academy of traffic accident investigation, 2012).
우선 타이어 구름저항과 관련하여 PC-Crash에는 직접 관련한 계수를 설정하는 것이 가능하지 않으므로, 제동인자(brake factor) 변경으로 대체하였다. 정상 타이어의 구름저항 계수는 차량 속도에 따라서 래디얼 타이어와 바이아스 타이어에서 식(1)과 같이 보고되고 있다 (Wong, 2008).
본 논문에서는 펑크 타이어 힘과 관련한 시험 연구 결과들을 다양하게 수집하고 분석하여, 펑크 타이어 차량 동적 거동 해석을 위한 구름저항력, 셀프 얼라이닝 토크, 코너링 강성, 반경방향 강성과 같은 관련 계수들의 적정 값을 추정하였다. 이러한 타이어 펑크 관련한 입력계수 들을 자동차 사고 해석 프로그램(PC-Crash)에서 적절 하게 설정하여 타이어 펑크 효과를 구현한 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 또한, 시뮬레이션 해석 결과들은 실제 사고 사례들과 비교 분석하였다.
차량들의 충돌은 3개 그룹(소형-대형, 중형-중형, 중형-대형 차량간)으로 하였고, 펑크 효과를 강조하기 위해 가벼운 차량을 피충돌 차량으로 설정하였다. 차량간의 충돌 속도 조건은 피충돌 차량 기준으로 3가지(동등한 속도, 속도가 빠르거나 혹은 느린 경우)로 구분하였으며, 측면 충돌의 경우에는 대개 후륜 펑크 그리고 정면충돌의 경우에는 전륜 펑크로 고려하였다. 이는 시뮬레이션 분석을 통하여, 측면 충돌에서는 전륜 펑크로 고려하면 두 차량이 서로 계속 간섭하는 경우가 많아 거동의 확인이 어려웠고, 결국 펑크 효과가 상대적으로 미흡하게 나타나기 때문이다.
차량들의 충돌은 3개 그룹(소형-대형, 중형-중형, 중형-대형 차량간)으로 하였고, 펑크 효과를 강조하기 위해 가벼운 차량을 피충돌 차량으로 설정하였다. 차량간의 충돌 속도 조건은 피충돌 차량 기준으로 3가지(동등한 속도, 속도가 빠르거나 혹은 느린 경우)로 구분하였으며, 측면 충돌의 경우에는 대개 후륜 펑크 그리고 정면충돌의 경우에는 전륜 펑크로 고려하였다.
한편, 정상 차량들 간의 다양한 충돌 형태들과 속도 등을 참조하여, 펑크 차량의 충돌 유형들을 동등하게 구성하고 시뮬레이션 해석을 수행하여 펑크 차량 충돌 특성을 구하였다. 펑크 차량의 충돌 거동에서는 정상상태의 차량에 비해 이동 거리는 감소하고 차량 회전량은 증가함을 볼 수 있다.
대상 데이터
실차 충돌 테스트의 충돌 상황에 대해서는 전술한 그룹별로 각각 17건(측면충돌 11건, 정면충돌 6건) 모두 51건의 시뮬레이션을 수행하였으며, 타이어 펑크로 인한 차량의 충돌 거동 변화가 비교적 뚜렷한 16건(측면충돌 13건, 정면충돌 3건)의 충돌해석 결과를 Table 4에 요약하였다. Table 4에는 충돌 전 속도, 정상 차량과 펑크 타이어 차량의 각속도 그리고 충격 지점(펑크 타이어 위치)을 보여주고 있으며, 펑크 차량의 각속도의 경우 시뮬레이션에서 설정한 기본 값인 300ms를 기준으로 확인하였다.
JARI에서 시행한 실차 충돌 테스트(45건) (Ishikawa, 1994)를 바탕으로 정상 차량들 간의 다양한 충돌 형태들과 속도 등을 참조하였고, 펑크 차량에서의 충돌 형태 들을 동등하게 구성하고 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 차량 모델은 국내 차량을 특정화 하여 설정하였고, Table3에 요약한 것처럼 소형차량, 중형차량, 대형차량으로 구분하였다.
데이터처리
Table 1에 보여지는 차량(타이어는 해당 차량 기본 장착모델)을 가지고, 전술한 입력계수들(구름저항력, 코너링/반경 강성계수)을 Table 2에서처럼 설정하였고 PC-Crash 시뮬레이션 해석 결과를 HVE 타이어 펑크 모듈과 비교분석 하였다. HVE 타이어 펑크 모듈에서는 각개 입력계수의 값을 조절할 수는 없지만 구름저항력은 정상 타이어의 10배, 강성계수(코너링, 반경)는 0.
이러한 타이어 펑크 관련한 입력계수 들을 자동차 사고 해석 프로그램(PC-Crash)에서 적절 하게 설정하여 타이어 펑크 효과를 구현한 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 또한, 시뮬레이션 해석 결과들은 실제 사고 사례들과 비교 분석하였다. 전륜 또는 후륜에서 펑크가 발생할 경우 차량은 모든 속도에 대해서 펑크가 발생한 방향으로 편향하는 것을 볼 수 있다.
본 연구에서는 자동차 사고해석 프로그램들을 활용하여 시뮬레이션 해석을 수행하였으며, 구름저항력과 코너링/반경 강성계수와 관련한 입력 계수들을 설정하여 타이어 펑크 효과를 구현하였다. 시뮬레이션 해석 결과는 타이어 펑크 관련 실제 사고 사례 들을 통하여 유용성과 신뢰성을 확보하였다.
이론/모형
본 연구에서는 펑크 차량의 동적 거동을 시뮬레이션 해석하기 위하여 국내외 교통사고분석 분야에서 비교적 널리 보급되어 있는 상용프로그램인 PC-Crash를 사용 하였다. 북미지역에서 개발되고 그 지역에서만 주로 활용되고 있는 상용프로그램인 HVE에는 타이어 블로우아웃 모듈이 있으나 PC-Crash에서는 타이어 펑크를 고려하는 모듈이 존재하지 않으므로, 전술한 펑크 타이어 힘해석 결과들에 근거하여 입력 계수들의 값들을 적절하게 설정하여야 한다.
성능/효과
2초까지는 거의 유사한 거동을 보이고 있으나, 이후에는 좌측 편향되는 펑크 차량(좌측 후륜)과 정상 차량의 경로 차이가 비교적 크다. 1.2초 경과 후 두 차량의 회전각도는 약 30도의 차이를 보이고 있으나, 2.4초에서는 펑크 차량은 198도, 정상 차량의 경우 105도 회전한 것을 볼 수 있다. 또한 2.
이는 타이어 펑크로 인해 각종 저항력과 차체 변형 등의 증가로 차량이 받는 운동량은 다소 감소하는 것으로 보여진다. 또한 펑크가 발생함에 따라 펑크 타이어를 중심으로 모멘트가 작용하여 충돌이 끝날 때 각속도가 정상 차량보다 다소 큰 것으로 나타났다. 또한 펑크 차량이 정상 차량과 확연히 다른 거동을 보이는 상황은 측면충돌의 경우에 다수 확인할 수 있었다.
또한, 펑크가 발생함에 따라 펑크 타이어를 중심으로 모멘트가 작용하여 충돌이 끝날 때의 각속도는 정상 차량간의 충돌사고에서 보다 약간(0.2-0.3rad/s) 큰 값을 확인하였다. 반면 정면충돌의 경우, 전체 시뮬레이션에서 거동 변화가 확인되어지는 비율은 아주 작다.
본 절에서 제시한 두 가지 사고 사례에서, 화물트럭과 승용차 두 차량 모두 펑크발생 후 펑크 타이어 방향으로 편향되는 결과를 보여주었다. 하지만 펑크 발생 후 두 차량 모두 운전자의 대응운전에 의해서 우측으로 핸들을 급조향하였고 화물 트럭의 경우는 결국 전복이 되었지만 승용차의 경우에는 전복되지 않고 미끄러지는 거동을 보였다.
충돌 시뮬레이션 결과, 타이어 펑크로 인한 충돌 거동의 변화는 대부분 측면충돌의 경우에 많이 발생하였다. 특히, 90도 측면 충돌일 때는 모든 그룹에서 거동의 변화를 확인할 수 있다.
후속연구
본 연구에서 제시하는 타이어 펑크 혹은 손상에 대한 고려는, 차량의 최종 정지 위치나 자세로부터 차량의 충돌 거동 등을 정확하게 파악하려고 하는 사고 재구성 해석에 기여할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
타이어 파손의 유형은 어떻게 나눌 수 있는가?
타이어 파손의 유형은 대개 트레드 분리(tread belt separation), 타이어 펑크(tire blowout), 화학적인 손상 등으로 나누어 볼 수 있다. 타이어의 화학적 손상은 고무의 변질 혹은 관리 미흡에 의해서 발생하는 경우가 대부분이며, 트레드 분리 및 펑크와 같은 경우에는 노면상의 이물질 혹은 타이어의 심한 마모나 충돌 사고 등에 의해서 발생하게 된다.
타이어 펑크란 어떠한 현상을 말하는가?
타이어 펑크는 통상 주행 중에 노면에 놓여 있던 물체 (나사, 못, 볼트 등)를 밟고 진행하면서 물체가 타이어의 그루브(groove)에 박히게 되고 계속되는 회전운동에 따라서 트레드, 벨트 그리고 카카스를 뚫고 들어가 타이어 내부에 손상을 입혀 공기가 빠지는 현상이다. 이에는 타이어 공기압이 급격하게 손실되는 버스트(burst)라고 불리는 현상이 있는 데, 지속적인 주행을 하고 있는 타이 어에서 공기압이 낮아지게 되면 타이어 접지부 뒤쪽에서 스탠딩 웨이브가 발생하고 이때 지속적인 응력을 받고 있는 트레드 부, 사이드 월, 비드(bead) 중 한 부위가 응력을 버티지 못하고 발생하는 열에 의해서 파괴되는 경우를 말한다.
타이어 트레드 분리는 주로 무엇에 의해서 발생되는가?
타이어 트레드 분리는 트레드 부와 벨트간의 분리를 말한다. 타이어의 지속적인 회전운동 때문에 발생한 열로 인하여 타이어를 구성하고 직접 노면과 접촉하는 부분인 트레드, 타이어의 골격인 카카스(carcass), 트레드와 카카스 사이에 삽입된 층인 벨트, 타이어의 측면부인 사이드 월(side wall), 카카스 내층에 배치되어 있는 고무층인 이너라이너(inner linear) 등이 서로 잘 접착되 어있지 못하고 분리되는 이러한 현상은 주로 타이어의 저공기압 또는 차량의 과하중 그리고 지속적인 고속주행에 의해서 발생된다. 손상된 타이어의 트레드 부는 분리된 모습으로 진행되기 때문에 노면과 닿는 면적의 증가로 인하여 구름저항력이 증가한다.
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